1.8.Разряды в несимметричных полях. Эффект полярности

Характерными примерами резко неоднородного несимметричного поля являются поля между иглой и плоскостью, иглой и шаром. В этих полях напряженность поля у электрода с малым радиусом (игла или шар) велика и достаточна для развития ионизационного процесса даже при напряжениях, меньших напряжения возникновения короны. При этом образующийся объемный заряд будет существенно влиять на процесс развития разряда в зависимости от полярности электродов.

Рис. 1.7 – Развитие разряда в промежутке стержень-плоскость

При положительном острие (рис. 1.7а) электроны, двигаясь к острию, совершают ионизацию и образуют лавину электронов. Положительные ионы образуют положительный объемный заряд, медленно перемещающийся к плоскости. Объемный заряд положительных ионов и электронов создает собственное электрическое поле . В результате сложения поля объемного заряда и внешнего электрического поля , результирующее поле несколько уменьшается у острия и увеличивается в объеме между положительным объемным зарядом и плоскостью.

При отрицательной полярности иглы (рис. 1.7б), появившиеся у катода электроны образуют лавину, двигающуюся к плоскости. Выйдя из сильного поля острия электроны теряют энергию и перестают производить ионизацию. Часть электронов достигает анода, а часть образует при столкновениях отрицательные ионы. Образующийся у острия объемный положительный заряд усиливает поле у стержня и ослабляет в остальной части пространства.

При положительной полярности стержня и дальнейшем увеличении напряжения лавина электронов возникает в области наибольшей напряженности электрического поля – справа от объемного заряда. Лавина электронов и объемный заряд создают зародыш анодного стримера, заполненный плазмой. Головка стримера имеет избыточный положительный заряд, что усиливает поле и обеспечивает образование новых лавин и прорастание стримера до противоположного электрода – плоскости, т.е. облегчает пробой.

При отрицательной полярности иглы образование лавин начинается между стержнем и объемным зарядом – катодная лавина. Вследствие этого вокруг стержня образуется плазменный слой, который увеличивается с повышением напряжения. Напряженность поля на поверхности слоя растет и начинается образование лавин справа от объемного заряда. Образование катодных стримеров происходит в области с более низкой напряженностью электрического поля, что затрудняет развитие стримера. Скорость их оказывается на порядок ниже, чем скорость положительного стримера при положительной игле. В результате разрядные напряжения при отрицательной игле в 2–2,5 раза выше, чем при положительной. Это и есть проявление эффекта полярности. При небольших промежутках (8–10 см) их электрическая прочность составляет 8–15 кВ/см.

При переменном электрическом поле эффект полярности имеет место, если время развития разряда , где – период волны приложенного напряжения.

Электрическая прочность системы игла-плоскость может быть повышена за счет барьеров (рис. 1.8). В качестве барьеров используют тонкие изолирующие материалы (картон, бумага). При наличии барьера напряженность электрического поля на участке острие-барьер снижается, а на участке барьер-плоскость – возрастает. Поле становится более однородным.

При отрицательной игле барьер задерживает двигающиеся к плоскости электроны, которые образуют на его поверхности отрицательные ионы и тем самым создается концентрированный отрицательный заряд. При положительной и

Рис. 1.8 – Барьер в резконеоднородном поле

гле он также задерживает положительные ионы, которые растекаются по его поверхности, т.о. формируя как бы положительную плоскость.

Наиболее эффективным является расположение барьера на расстоянии от иглы. В этом случае разрядные напряжения при положительной игле увеличиваются более чем в два раза, а при отрицательной – не уменьшаются. Расположение барьера у иглы не дает большого эффекта, т.к. при положительной игле ионы располагаются на барьере неравномерно, а при отрицательной – электроны летят с большой скоростью и проходят через барьер, т.е. отрицательный заряд не создается.

Для увеличения пробивного напряжения и устранения короны иногда применяют экранирование электродов. Экран представляет собой цилиндр или сферу, соединенную с электродами.